БИОФИЗИКА, 2014, том 59, вып. 4, с. 641-648
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА
УДК 577.3
ВЛИЯНИЕ РАСТВОР ЕННЫХ ГАЗОВ НА СИЛЬНО РАЗБАВЛЕННЫЕ ВОДНЫЕ CP ЕДЫ
© 2014 г. Л.В. Беловолова, М.В. Глушков, Е.А. Виноградов
Институт общей физики им. А .М. Прохорова РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38 E-mail: lvbel@smp.gpi.ru, gmv@smp.gpi.ru Поступила в p едакцию 10.02.14 г.
В экспериментах по измерению редокс-потенциала для серии одинаковых образцов очищенной и предварительно отстоявшейся воды обнаружено, что отклик на ультрафиолетовое облучение заметно изменяется в течение нескольких суток после очистки, в том числе скачкообразно. Через несколько часов после воздействий, ведущих к повышению содержания активных форм кислорода по сравнению с равновесными значениями, в воде и разбавленных водных средах регистрируются долговременные изменения, в том числе колебания редокс-потенциала и оптических параметров системы. Предложена эвристическая модель организации водно-газовой системы с повышенным содержанием активных форм кислорода.
Ключевые слова: вода, сильно pазбавленные водные cpеды, активные фоpмы киcлоpода и воды, потенциометpия, ультpафиолетовая люминесценция, pэлеевcкое pаccеяние, колебания паpаметpов.
В исследованиях воды и разбавленных водных сред присутствие в них растворенных атмосферных газов обычно не принимается во внимание. Однако в настоящее время хорошо известно, что микропузырьки воздуха, всегда имеющиеся в воде, если не принять специальные меры к их удалению, оказывают на нее заметное влияние. Так, после дегазации воды существенно меняются процессы формирования микроэмульсий [1], исчезает чувствительность к слабым магнитным и электромагнитным полям [2], изменяется ха рактер релаксации водной ср еды после различных воздействий [3]. Микро-скопические пузырьки являются зародышами кавитации, поэтому их число, размер, газовый состав и свойства поверхности сильно влияют на кавитационную прочность и на сонолюми-несценцию воды [4]. Показано, что жидкости с пузырьками газа могут проявлять гигантскую нелинейность при акустических воздействиях и тем самым сильно влиять на рассеяние электромагнитных и акустических волн [5,6]. Бар-ботирование газообразным азотом дистиллиро -ванной воды, находящейся в равновесии с воздухом, резко понижает ее пр оводимость. К подобному эффекту приводит и дегазация воды [7]. Существенно, что в этих процессах удаляются анионы карбоната, вносящие основной вклад в проводимость чистой аэрированной воды, поскольку отрицательно заряженные
Сокращения: АФК - активные формы кислорода, УФ -ультрафиолетовый.
ионы являются зародышами образования пузырьков в воде [8] и при малых размер ах пузырьков препят ствуют их схлопыванию [9]. С о -держание газов в воде сильно зависит от методов ее обработки, а нарушенное р авновесие восстанавливается относительно медленно.
Известно, что живые ор ганизмы очень чувствительны к содержанию в воздухе и водных ср едах активных фор м кислорода (АФК). Имеются данные, дающие основания полагать, что образование АФК в воде (в том числе и под действием энергетически слабых фактор ов, энергия которых недостаточна для разложения молекул воды на радикалы) связано с присутствием паровоздушных пузырьков и накоплением на их поверхности молекул перекиси водорода и продуктов перекисного окисления органических примесей [10,11]. И сследования этих процессов ограничиваются низкими концентрациями АФК и трудностями моделирования поверхностных эффектов.
Здесь мы приводим результаты измерений окислительно-восстановительных потенциалов (редокс-потенциалов) образцов очищенной воды, подвергаемых ультрафиолетовому (УФ) облучению, а также результаты исследования водных образцов методами УФ-люминесценции и светорассеяния. Метод потенциометрии обладает высокой чувствительностью к процессам электронного пер ено са на границе раздела фаз (вода-поверхность электрода) и позволяет наблюдать окислительно-восстановительные превращения при весьма малых концентрациях
Pис. 1. Распределение скачков потенциала в течение трех суток. (Подробности в тексте.)
электр онных пер ено счиков. УФ-облучение способно пр иводить к возбуждению и разложению молекул воды и газов, т .е. обр азованию АФК и вторичным процессам с их участием.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе использовали дистиллированную воду, дополнительно очищенную на угольном фильтр е В-300 и на многоступенчатой водоочистной установке Аквамед-1 ДВС/М1 (Россия). И сходная электр опр оводность очищенной воды не пр евышала 0,6 мкС м/см. В ряде экспер имен-тов пр именяли пр ир одную питьевую воду «Чер-ноголовская» без дополнительной очистки. Ацетон («ч.д.а.») дополнительно очищали дву-кр атной пер егонкой. И спользовали пер оксид водо р ода («о .с.ч.», «Баум-Люкс», Р о ссия) и би-кар бонат натр ия (Sigma).
Приготовление образцов для потенциомет-
рии. Редокс-потенциал относительно хлорсер еб -р яного электр ода ЭВЛ-1М 3.1 измер яли с помощью анализатор а жидко сти Эксперт-001 (Эконикс-эксперт) с использованием платинового электр ода ЭПВ-1СР. Измеряя р едокс-по-тенциалы очищенной воды, мы обнаружили очень большую вар иабельность кинетики установления потенциала даже для образцов, последовательно наливаемых в измерительную ячейку из одной емко сти. Чтобы стандар тизи-р овать условия обр азцы воды ср азу по сле очистки разливали по стеклянным стаканам и вы-дер живали пр и комнатной темпер атур е в течение двух суток. Перед измерением редокс-по-тенциала очер едной тестируемый обр азец семь раз переливали из стакана в измерительную кварцевую колбу и обратно, затем записывали кривые установления потенциала при постоян-
ном перемешивании образца на столике магнитной мешалки. П р и такой по становке опыта заметной зависимости измеренного потенциала от диаметр а со суда, в котор ом хр анился обр а -зец воды (и условий диффузии газов во вр емя хр анения), не пр оявлялось.
После достижения постоянных значений ре-докс-потенциала (~ 5-10 мин) откр ывали за -слонку о светителя ОИ-18А с ртутно-квар цевой лампой Д Р К -120 и пр оводили облучение воды в течение 3 мин, не пр ерывая записи р едокс-потенциала. Р азница между значением редокс-потенциала в момент начала и конца облучения (условимся называть «скачок потенциала») явилась главным пар аметр ом, по котор ому ср ав-нивали независимые обр азцы воды. Все условия опыта поддерживали одинаковыми для всех обр азцов.
Спектры флуоресценции записывали с помощью модифицир ованного спектр ально-изме-р ительного комплекса СДЛ-2 (ЛОМО, Р о ссия) в р ежиме счета фотонов. И спользовали электр оактиватор воды ЛУ-3002 (сила тока электр олиза 0,2-0,7 А, напр яжение питания 220 В, ча стота 50 Гц, потр ебляемая мощность не более 70 Вт). Все подр обности об используемых методиках и оборудовании изложены в работах [12,13].
Р ЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 1 пр иведены значения скачков потенциала независимых образцов воды в течение тр ех суток тестир ования. Видно, что в то вр емя как в пер вые сутки измер ения УФ-облучение вызывало повышение потенциала, на вторые сутки для большинства обр азцов потенциал понижался . Величина скачка редокс-потенциала в пер вые и втор ые сутки измер ения нар яду с относительно низкоамплитудными колебаниями испытывает более р езкие изменения. В течение пер вых суток тестир ования, т .е. на тр етьи сутки после очистки воды, обнаружены два относительно резких падения амплитуды скачка на 12-18 мВ. На втор ые сутки после начала тестирования скачок потенциала для первого образца практически отсутствует, а для последующих образцов знак эффекта меняется на пр отивоположный. На тр етьи сутки опыта скачок потенциала имеет существенно меньшие, чем в пер вые сутки, положительные значения.
Эти р езультаты свидетельствуют о долго -временных (по крайней мере, в течение четырех суток после очистки) изменениях состояния водной системы после очистки, проявителем котор ых является пр оцедур а облучения ультр а -фиолетовым светом. П р и этом нар яду с отно-
Р ис. 2. Кинетика изменения р едокс-потенциала 60 мкМ/л водного р аствор а Н 2О 2- Начало записи чер ез 1,5 ч после УФ-облучения.
Р ис. 3. Кинетика изменения редокс-потенциала водного р а створ а, содер жащего 4,3 мМ/л МаИС03 и 40 мкМ/л И202.
сительно небольшими колебаниями р едокс-по-тенциала вр емя от в р емени наблюдаются резкие изменения хар актер а отклика водной системы на облучение ультр афиолетовым светом.
Опыт показал, что вид графиков записи потенциала под действием облучения и после него изменяется в зависимости от вр емени хр а -нения обр азцов, пр и повто р ном облучении ра -нее протестированных образцов, при изменении вр емени облучения, а также пр и введении в систему малых добавок веществ, способных вступать во взаимодействие с АФК или обладающих поверхностной активностью. Так, в воде с добавками перекиси водорода (рис. 2) иногда удавалось регистр ир овать скачкообр аз-ные изменения потенциалов на несколько милливольт чер ез несколько ча сов после УФ -облучения. В водном р аствор е, содержащем би-
Р ис. 4. Кинетика рэлеев ского ра ссеяния (к = 260 нм) черноголовской воды после 11 мин электролиза без добавок. Чер ез сутки после электр олиза (а); чер ез двое суток (б). 1 - Контр оль, 2 - анолит, 3 - католит.
кар бонат натр ия и пер еки сь во до р ода (без УФ -облучения), мы р егистр ир овали медленные изменения значений редокс-потенциалов (р ис. 3), по длительности подобные процессам, описанным в работе [14].
И сследования УФ-люминесценции и свето -рассеяния водных образцов показали, что в воде через несколько часов после воздействия, приведшего к образованию АФК, появляются долговременные колебания оптических параметров. В частности, в питьевой воде марки «Чер ноголовская» чер ез сутки по сле активации электр олизом длительное вр емя наблюдаются колебания рэлеев ского свето р а ссеяния на длине волны 260 нм. На рис. 4а показаны колебания рэлеевского светорассеяния водной фракции, собр анной вблизи катода (католите) и вблизи анода (анолите) чер ез сутки после электр олиза. Можно видеть, что вблизи катода, т .е. во фр акции воды, содер жащей АФК с во сстановитель-н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.